Древесное топливо (или топливная древесина ) — это топливо, такое как дрова , уголь , щепа , листы, гранулы и опилки . Конкретная используемая форма зависит от таких факторов, как источник, количество, качество и применение. Во многих областях древесина является наиболее легкодоступной формой топлива, не требующей инструментов в случае сбора сухостоя или требующей небольшого количества инструментов, хотя, как и в любой отрасли, были разработаны специализированные инструменты, такие как трелевочные тракторы и гидравлические дровоколы, для механизации производства. Отходы лесопиления и побочные продукты строительной промышленности также включают различные формы отходов пиломатериалов. Около половины древесины, добываемой в лесах по всему миру, используется в качестве топливной древесины. [1]
Открытие способа разведения огня для сжигания древесины считается одним из важнейших достижений человечества. Использование древесины в качестве источника топлива для отопления намного старше цивилизации и, как предполагается, использовалось неандертальцами . Сегодня сжигание древесины является крупнейшим использованием энергии , получаемой из твердотопливной биомассы . Древесное топливо можно использовать для приготовления пищи и отопления , а иногда и для заправки паровых двигателей и паровых турбин , которые вырабатывают электричество . Древесину можно использовать в помещении в печи, плите или камине , или на открытом воздухе в печи, костре или костре .
.jpg/1280px-Charbon_-_charcoal_burning_(3106924114).jpg)
Древесина использовалась в качестве топлива на протяжении тысячелетий. Исторически ее использование ограничивалось только распространением технологий, необходимых для высекания искры. Тепло, получаемое от древесины, по-прежнему распространено во многих частях мира. Ранние примеры включают костер, разведенный внутри палатки. Костры разводились на земле, а дымовое отверстие в верхней части палатки позволяло дыму выходить путем конвекции.
В постоянных сооружениях и пещерах сооружались или устанавливались очаги — поверхности из камня или другого негорючего материала, на которых можно было развести огонь. Дым выходил через дымовое отверстие в крыше.
В отличие от цивилизаций в относительно засушливых регионах (таких как Месопотамия и Египет), греки, римляне, кельты, бритты и галлы имели доступ к лесам, пригодным для использования в качестве топлива. На протяжении столетий наблюдалась частичная вырубка климаксных лесов и эволюция оставшихся лесов в порослевые леса со стандартными лесами в качестве основного источника древесного топлива. Эти леса включали непрерывный цикл новых стволов, собираемых со старых пней, с ротацией от семи до тридцати лет.
Одной из самых ранних печатных книг по лесному хозяйству на английском языке была книга Джона Эвелина «Сильва, или рассуждение о лесных деревьях» (1664), в которой давались советы землевладельцам по правильному управлению лесными угодьями. Х. Л. Эдлин в книге «Лесные ремесла в Британии» (1949) описывает необычные методы, которые применялись, и ассортимент изделий из древесины, которые производились в этих управляемых лесах с доримских времен. И на протяжении всего этого времени предпочтительной формой древесного топлива были ветки срезанных стволов поросли, связанные в вязанки хвороста . Более крупные, изогнутые или деформированные стволы, которые не приносили никакой другой пользы лесным мастерам, превращались в древесный уголь .
Как и в большинстве стран Европы, эти управляемые леса продолжали поставлять свои рынки вплоть до конца Второй мировой войны. С тех пор большая часть этих лесов была преобразована в широкомасштабное сельское хозяйство. Общий спрос на топливо значительно возрос с промышленной революцией , но большая часть этого возросшего спроса была удовлетворена новым источником топлива — углем , который был более компактным и больше подходил для более крупных масштабов новых отраслей промышленности.
В период Эдо в Японии древесина использовалась для многих целей, и потребление древесины привело Японию к разработке политики управления лесами в ту эпоху. [2] Спрос на лесные ресурсы рос не только для топлива, но и для строительства кораблей и зданий, и, следовательно, вырубка лесов была широко распространена. В результате произошли лесные пожары, а также наводнения и эрозия почвы. Около 1666 года сёгун сделал политикой сокращение вырубки леса и увеличение посадки деревьев. Эта политика постановила, что только сёгун, или даймё , мог разрешить использование древесины. К 18 веку Япония разработала подробные научные знания о лесоводстве и лесных плантациях .
Развитие дымохода и камина позволило более эффективно выводить дым. Каменные печи или обогреватели пошли еще дальше, улавливая большую часть тепла огня и выхлопных газов в большой тепловой массе, став намного более эффективными, чем один камин.
Металлическая печь была технологическим развитием, совпадающим с промышленной революцией . Печи были изготовлены или сконструированы как части оборудования, которые удерживали огонь со всех сторон и обеспечивали средства для управления тягой — количеством воздуха, которое могло достичь огня. Печи изготавливались из различных материалов. Чугун является одним из наиболее распространенных. Использовались тальк , плитка и сталь . Металлические печи часто облицовываются огнеупорными материалами, такими как огнеупорный кирпич , поскольку самая горячая часть дровяного огня выжигает сталь в течение нескольких лет использования.
Печь Франклина была разработана в Соединенных Штатах Бенджамином Франклином . Это был скорее камин, чем печь, у нее была открытая передняя часть и теплообменник сзади , который был разработан для забора воздуха из подвала и нагрева его перед выпуском через боковые стороны. Теплообменник никогда не был популярной функцией и был исключен в более поздних версиях. Так называемые печи «Франклина» сегодня производятся в самых разных стилях, хотя ни одна из них не похожа на первоначальный дизайн.
1800-е годы стали пиком развития чугунных печей. Каждая местная литейная мастерская создавала свой собственный дизайн, и печи строились для множества целей — печи для гостиной, коробчатые печи, походные печи, железнодорожные печи, переносные печи, кухонные печи и так далее. Сложные модели с никелированными и хромированными краями доводили дизайн до крайности, с литыми украшениями, ножками и дверцами. В печах можно было сжигать дрова или уголь, и поэтому они были популярны более ста лет. Действие огня в сочетании с едкостью золы гарантировало, что печь в конечном итоге распадется или потрескается со временем. Таким образом, требовался постоянный запас печей. Техническое обслуживание печей, необходимость их чернения, их дымность и необходимость колоть дрова означали, что предпочтение отдавалось масляному или электрическому нагреву.
Герметичная печь , изначально сделанная из стали, позволяла лучше контролировать горение, будучи более плотно подогнана, чем другие печи того времени. Герметичные печи стали обычным явлением в 19 веке.
Использование древесного тепла снизилось в популярности с ростом доступности других, менее трудоемких видов топлива. Древесное тепло постепенно было заменено углем , а позднее мазутом , природным газом и пропаном , за исключением сельских районов с доступными лесами.
После нефтяного эмбарго 1967 года многие люди в Соединенных Штатах впервые использовали древесину в качестве топлива. Агентство по охране окружающей среды предоставило информацию о чистых печах, которые горели гораздо эффективнее. [3]
Кратковременный всплеск популярности произошел во время и после энергетического кризиса 1973 года , когда некоторые считали, что ископаемое топливо станет настолько дорогим, что его использование станет невозможным. Затем последовал период инноваций, когда многие мелкие производители производили печи на основе старых и новых конструкций. Известные инновации той эпохи включают нагреватель Ashley, термостатически контролируемую печь с дополнительным перфорированным стальным корпусом, который предотвращал случайный контакт с горячими поверхностями. В это десятилетие также было изготовлено несколько двухтопливных печей и котлов, которые использовали воздуховоды и трубы для подачи тепла по всему дому или другому зданию.
Рост популярности древесного тепла также привел к разработке и маркетингу большего разнообразия оборудования для резки, колки и обработки дров. Были разработаны гидравлические дровоколы потребительского класса , работающие от электричества, бензина или ВОМ сельскохозяйственных тракторов. В 1987 году Министерство сельского хозяйства США опубликовало метод производства дров, высушенных в печи, на основании того, что лучшая тепловая мощность и повышенная эффективность сгорания могут быть достигнуты с бревнами, содержащими меньше влаги. [4]
Журнал «Wood Burning Quarterly» издавался в течение нескольких лет, прежде чем сменил название на «Home Energy Digest» и впоследствии исчез.
Пеллетная печь — это устройство, сжигающее прессованную древесину или гранулы из биомассы . Дровяное отопление по-прежнему используется в районах, где дрова в изобилии. Для серьезных попыток обогрева, а не просто для создания атмосферы (открытые камины), сегодня чаще всего используются печи, каминные топки и печи. В сельских, лесных районах США все чаще встречаются отдельно стоящие котлы . Они устанавливаются на открытом воздухе, на некотором расстоянии от дома, и подключаются к теплообменнику в доме с помощью подземного трубопровода.
Вся грязь из древесины, коры, дыма и золы остается снаружи, что снижает риск возникновения пожара. Котлы достаточно большие, чтобы поддерживать огонь всю ночь, и могут сжигать более крупные куски древесины, поэтому требуется меньше резки и колки. Нет необходимости модернизировать дымоход в доме. Однако наружные дровяные котлы выделяют больше древесного дыма и связанных с ним загрязняющих веществ, чем другие дровяные приборы. Это связано с конструктивными особенностями, такими как заполненная водой рубашка, окружающая топку, которая охлаждает огонь и приводит к неполному сгоранию. Уличные дровяные котлы также обычно имеют короткую высоту дымохода по сравнению с другими дровяными приборами, что способствует повышению уровня твердых частиц в окружающей среде на уровне земли. Все более популярной альтернативой является котел с газификацией древесины, который сжигает древесину с очень высокой эффективностью (85-91%) и может быть размещен в помещении или в хозяйственной постройке.
Существует множество способов обработки древесного топлива, и древесина по-прежнему используется сегодня для приготовления пищи во многих местах, как в печи, так и на открытом огне. Она также используется в качестве топлива во многих промышленных процессах, включая копчение мяса и изготовление кленового сиропа . Как устойчивый источник энергии, древесное топливо также остается жизнеспособным для производства электроэнергии в районах с легким доступом к лесным продуктам и побочным продуктам.
В метрической системе дрова обычно продаются кубическими метрами или стерами (1 м3 ≈ 0,276 корда ).
В Соединенных Штатах и Канаде дрова обычно продаются на шнур , 128 футов 3 (3,62 м 3 ), что соответствует штабелю дров шириной 8 футов × высотой 4 фута из бревен длиной 4 фута. Шнур юридически определен законом в большинстве штатов США. «Бросок шнура» — это дрова, которые не были сложены и определяются как 4 фута шириной × 4 фута высотой × 10 футов длиной. Дополнительный объем должен сделать его эквивалентным стандартному сложенному шнуру, где меньше пустого пространства. Также часто можно увидеть, как древесина продается на «лицевой шнур», который обычно не определен юридически и варьируется в зависимости от региона. Например, в одном штате штабель дров шириной 8 футов × высотой 4 фута из бревен длиной 16 дюймов часто будет продаваться как «лицевой шнур», хотя его объем составляет всего одну треть шнура. В другом штате или даже в другой области того же штата объем корда может существенно отличаться. Следовательно, покупать древесину, продаваемую таким образом, рискованно, поскольку транзакция не основана на юридически закрепленной единице измерения.
В Австралии дрова обычно продаются тоннами , но часто рекламируются как продаваемые на тачках, ведрах ( 1 ⁄ 3 ковша типичного мини-погрузчика объемом 1 м3 ) , фургонах или мешках (примерно 15–20 кг).
Распространенная древесина твердых пород, красный дуб, имеет энергосодержание ( тепловую ценность ) 14,9 мегаджоулей на килограмм (6388 БТЕ на фунт), и 10,4 мегаджоулей можно извлечь , если сжечь ее с эффективностью 70%. [5]
Управление по устойчивому развитию энергетики (SEDO), часть правительства Западной Австралии, утверждает, что содержание энергии в древесине составляет 16,2 мегаджоуля на килограмм (4,5 кВт·ч/кг). [6]
Согласно данным Центра знаний о биоэнергетике , содержание энергии в древесине более тесно связано с ее содержанием влаги, чем с ее породой. Содержание энергии улучшается по мере уменьшения содержания влаги. [7]
В 2008 году стоимость дров в качестве топлива составляла 15,15 долл. США за 1 млн БТЕ (0,041 евро за кВт·ч). [8] [ ненадежный источник? ]
Как и при любом пожаре , при сжигании древесного топлива образуется множество побочных продуктов, некоторые из которых могут быть полезными (тепло и пар), а другие нежелательны, раздражают или опасны.
Одним из побочных продуктов сжигания древесины является древесная зола , которая в умеренных количествах является удобрением (в основном поташом ), внося минералы, но является сильнощелочной , поскольку содержит гидроксид калия [9] (щелочь). Древесная зола также может использоваться для производства мыла .
Дым , содержащий водяной пар , углекислый газ и другие химикаты и аэрозольные частицы, включая едкую щелочную летучую золу , которая может быть раздражающим (и потенциально опасным) побочным продуктом частично сгоревшего древесного топлива. Основным компонентом древесного дыма являются мелкие частицы, которые могут составлять большую часть загрязнения воздуха частицами в некоторых регионах. В прохладные месяцы дровяное отопление составляет до 60% мелких частиц в Мельбурне , Австралия . [10]
Значительные количества летучих органических соединений выделяются при сгорании топливной древесины . В процессе сгорания выделяются большие количества более мелких видов оксигенатов , а также органические вещества, образующиеся в результате реакции деполимеризации лигнина, такие как фенолы, фураны и фураноны. [12] Было также показано, что сжигание топливной древесины выделяет множество органических соединений в аэрозольную фазу . [ 13] Было показано, что сжигание топливной древесины выделяет органические компоненты в диапазоне летучести, сверх эффективных концентраций насыщения, C *, от 10 1 до 10 11 мкг м -3 . Было показано, что выбросы от образцов топливной древесины, собранных в районе Дели в Индии, в 30 раз более реакционноспособны с гидроксильным радикалом, чем выбросы от сжиженного нефтяного газа . Кроме того, при сравнении 21 полициклического ароматического углеводорода, выделяемого из тех же образцов топливной древесины из Дели , выбросы от топливной древесины были примерно в 20 раз более токсичными, чем выбросы от сжиженного нефтяного газа . [11]
В некоторых наиболее эффективных горелках температура дыма достаточно высока, чтобы сгореть (например, 609 °C (1128 °F) [14] для воспламенения угарного газа). Это может значительно снизить опасность дыма, а также обеспечить дополнительное тепло от процесса. Используя каталитический нейтрализатор , можно снизить температуру для получения более чистого дыма. Некоторые юрисдикции США запрещают продажу или установку печей, которые не включают каталитические нейтрализаторы. [ необходима цитата ]
В зависимости от плотности населения, топографии, климатических условий и используемого оборудования для сжигания, отопление дровами может существенно способствовать загрязнению воздуха , особенно твердыми частицами . Условия, в которых сжигается древесина, будут в значительной степени влиять на содержание выбросов. [ необходима цитата ] Загрязнение воздуха твердыми частицами может способствовать проблемам со здоровьем человека и увеличению госпитализаций из-за астмы и сердечных заболеваний. [10]
Метод сжатия древесной массы в гранулы или искусственные бревна может сократить выбросы. Сгорание становится чище, а повышенная плотность древесины и сниженное содержание воды могут исключить часть объема транспортировки. Потребление ископаемой энергии в транспорте сокращается и составляет небольшую часть ископаемого топлива, потребляемого при производстве и распределении печного топлива или газа. [15]
Большая часть древесного топлива поступает из местных лесов по всему миру. Древесина плантаций редко используется для дров, так как она более ценна как древесина или древесная масса , однако, некоторое древесное топливо собирается с деревьев, посаженных среди сельскохозяйственных культур, также известное как агролесоводство . [16] Сбор или заготовка этой древесины может иметь серьезные экологические последствия для района сбора. Проблемы часто специфичны для конкретной области, но могут включать все проблемы, которые создают регулярные рубки . Интенсивное изъятие древесины из лесов может привести к разрушению среды обитания и эрозии почвы . Однако во многих странах, например в Европе и Канаде, лесные отходы собираются и превращаются в полезное древесное топливо с минимальным воздействием на окружающую среду. Учитывается питание почвы, а также эрозия. Экологическое воздействие использования древесины в качестве топлива зависит от того, как она сжигается. Более высокие температуры приводят к более полному сгоранию и меньшему количеству вредных газов в результате пиролиза. Некоторые могут считать сжигание древесины из устойчивого источника углеродно-нейтральным . Дерево в течение своей жизни поглощает столько же углерода (или углекислого газа), сколько выделяет при сжигании.
Некоторые дрова заготавливаются на « лесных участках », которые используются для этой цели, но в лесистых районах их чаще заготавливают как побочный продукт естественных лесов . Предпочтение отдается сухостою, который еще не начал гнить, так как он уже частично выдержан . Сухостойная древесина считается еще лучше, так как она и выдержана, и имеет меньше гнили. Заготовка этой формы древесины снижает скорость и интенсивность лесных пожаров . Заготовка древесины для дров обычно осуществляется вручную с помощью бензопил . Таким образом, более длинные куски — требующие меньше ручного труда и меньшего количества топлива для бензопилы — менее дороги и ограничиваются только размером их топки. Цены также значительно различаются в зависимости от расстояния от лесных участков и качества древесины. Дрова обычно относятся к древесине или деревьям, непригодным для строительства или строительства . Дрова являются возобновляемым ресурсом при условии, что норма потребления контролируется на устойчивом уровне. Нехватка подходящих дров в некоторых местах привела к тому, что местное население повредило огромные участки кустарника, что может привести к дальнейшему опустыниванию .
Сжигание древесины создает больше атмосферного CO2, чем биодеградация древесины в лесу (за определенный период), потому что к тому времени, как кора мертвого дерева сгниет, бревно уже занято другими растениями и микроорганизмами, которые продолжают поглощать CO2, интегрируя углеводороды древесины в свой жизненный цикл. Заготовка древесины и транспортные операции производят различную степень загрязнения парниковыми газами . Неэффективное и неполное сгорание древесины может привести к повышенным уровням парниковых газов, отличных от CO2 , что может привести к положительным выбросам, когда побочные продукты имеют большие значения эквивалента диоксида углерода . [17]
В попытке предоставить количественную информацию об относительном выходе CO 2 для производства электроэнергии или отопления жилых помещений Министерство энергетики и изменения климата Соединенного Королевства ( DECC ) опубликовало комплексную модель, сравнивающую сжигание древесины (щепы) и других видов топлива на основе 33 сценариев. [18] Выход модели — килограмм CO 2, произведенный на мегаватт-час (МВт·ч) поставленной энергии. Например, сценарий 33, который касается производства тепла из щепы, произведенной из мелкого круглого леса Великобритании, полученного путем возвращения заброшенных широколиственных лесов в эксплуатацию, показывает, что сжигание нефти приводит к выбросу 377 кг (831 фунт) CO 2, в то время как сжигание щепы приводит к выбросу 1501 кг (3309 фунтов) CO 2 на МВт·ч поставленной энергии. Однако в сценарии 32 того же источника, который касается производства тепла из древесной щепы, которая в противном случае была бы переработана в ДСП, было показано, что было выброшено только 239 кг (527 фунтов) CO 2 на МВт·ч. Таким образом, относительные парниковые эффекты производства энергии из биомассы зависят от модели использования.
Намеренное и контролируемое обугливание древесины и ее включение в почву является эффективным методом секвестрации углерода , а также важным методом улучшения почвенных условий для сельского хозяйства, особенно в регионах с густыми лесами. Он формирует основу плодородных почв, известных как Terra preta .
Воздействие сжигания древесного топлива на окружающую среду является спорным вопросом. Несколько городов перешли к установлению стандартов использования и/или запретов на дровяные камины. Например, город Монреаль, Квебек, принял резолюцию о запрете установки дровяных каминов в новых зданиях.
Сторонники сжигания древесины утверждают [ слова-ласка ] , что правильно заготовленная древесина является углеродно-нейтральной, поэтому компенсирует негативное воздействие частиц побочных продуктов, выделяемых в процессе сжигания. В контексте лесных пожаров древесина, вывезенная из леса для использования в качестве древесного топлива, может сократить общие выбросы за счет уменьшения количества открыто сжигаемой древесины и интенсивности горения при сжигании оставшегося материала в регулируемых условиях. 7 марта 2018 года Палата представителей Соединенных Штатов приняла законопроект, который отсрочит на три года внедрение более строгих стандартов выбросов для новых бытовых дровяных обогревателей. [19]
Некоторые европейские страны производят значительную часть своей потребности в электроэнергии из древесины или древесных отходов. В скандинавских странах стоимость ручного труда для обработки дров очень высока. Поэтому принято импортировать дрова из стран с дешевой рабочей силой и природными ресурсами. [ требуется ссылка ] Основными экспортерами в Скандинавию являются страны Балтии (Эстония, Литва и Латвия). В Финляндии растет интерес к использованию древесных отходов в качестве топлива для отопления жилых домов и промышленных предприятий в виде прессованных гранул .
Многие страны с низким и средним уровнем дохода используют древесину для получения энергии (особенно для приготовления пищи). Крупнейшие производители находятся в этих группах доходов и имеют большое население с высокой зависимостью от древесины для получения энергии: в 2021 году Индия заняла первое место с 300 миллионами м³ ( 15 процентов от общего объема производства), за ней следуют Китай с 156 миллионами м³ и Бразилия с 129 миллионами м³ ( 8 процентов и 7 процентов от мирового производства). [20]
В Соединенных Штатах древесное топливо является второй по значимости формой возобновляемой энергии (после гидроэлектроэнергии ). [21]
Около 1,5 миллионов домохозяйств в Австралии используют дрова в качестве основного вида отопления. [22] По состоянию на 1995 год в Виктории ежегодно использовалось около 1,85 миллионов кубических метров дров (1 м³ равен примерно одному грузу в прицепе легкового автомобиля) , половина из которых потреблялась в Мельбурне . [23] Это количество сопоставимо с древесиной, потребляемой всеми лесозаготовительными операциями по заготовке пиловочника и балансовой древесины в Виктории (1,9 миллиона м³). [ необходима ссылка ]
В качестве источников дров используются следующие виды деревьев:
В 2014 году в Вырумаа , Сымерпалу , Эстония, началось строительство крупнейшего завода по производству пеллет в Балтийском регионе с ожидаемой производительностью 110 000 тонн пеллет в год. В процессе производства пеллет будут использоваться различные виды древесины (дрова, щепа, стружка). Завод Warmeston OÜ начал свою деятельность к концу 2014 года. [26] [27] В 2013 году основными потребителями пеллет в Европе были Великобритания, Дания, Нидерланды, Швеция, Германия и Бельгия, как указано в годовом отчете UE по биотопливу. В Дании и Швеции пеллеты используются электростанциями, домохозяйствами и средними потребителями для централизованного теплоснабжения, по сравнению с Австрией и Италией, где пеллеты в основном используются в небольших частных жилых и промышленных котлах для отопления. [28] Великобритания является крупнейшим рынком потребления промышленных древесных гранул, во многом благодаря своим крупным электростанциям, работающим на биомассе, таким как Drax , MGT и Lynemouth . [29]
Япония и Южная Корея являются растущими рынками промышленных древесных гранул, и по состоянию на 2017 год, как ожидается, станут вторым и третьим по величине мировыми рынками древесных гранул из-за государственной политики, благоприятствующей использованию биомассы в производстве электроэнергии. [29]
Спрос на древесное топливо в Соединенных Штатах в основном обусловлен жилыми и коммерческими потребителями отопления. Канада не была крупным потребителем промышленных древесных гранул по состоянию на 2017 год, но имеет относительно агрессивную политику декарбонизации и может стать значительным потребителем промышленных древесных гранул к 2020-м годам. [29]
В этой статье использован текст из свободного контента . Лицензия CC BY-SA IGO 3.0 (лицензионное заявление/разрешение). Текст взят из World Food and Agriculture – Statistical Yearbook 2023, FAO, FAO.
